复杂曲面透明件数控加工固定方法

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摘要：航空透明件外形越来越趋向于复杂曲面，给透明件的生产制造增加了难度。透明件的边缘与机身直接接触，其精度将直接影响透明件装配。本文根据透明件的外形和加工要素特点，分析了透明件加工定位的方案，以及复杂曲面透明件各类加工固定方法的优缺点。通过计算和验证方式，确定了透明件加工所使用工装的重要参数，提高了透明件数控加工的效率。

关键词：定位方法；固定方法；固定稳定性

1概述

随着航空产业的发展，航空透明件外形越来越趋向于复杂曲面，给透明件的生产制造增加了难度[1]。航空透明件作为飞机的主要零件，其成形完成后的边缘加工，原来主要采用手动工具切割、人工打磨的方式进行，该方法效率较低，并且加工精度不高。21世纪初，中国加入WTO后，受国外先进制造技术的冲击，国内开始陆续兴起数控加工技术的使用[2]。现阶段，数控机床已经在各行各业大量应用，其本身可以具有较高的精度。但是制件在机床上的定位和固定方法，会直接影响制件的加工精度和加工效率。本文针对透明件数控加工过程中的定位和固定方法进行了研究，通过对固定方式，密封圈的选择和工装结构参数优化等方面的研究，提高了透明件固定的可靠性和快捷性，提高了加工效率。

2问题描述

透明件在加工过程中需要专门的夹具夹持后，才可方便的加工。加工夹具的结构形式对加工效率和加工质量有较大的影响。飞机透明件主要采用有机玻璃制造，大多具有复杂曲率不规则外形的特点。有机玻璃材料成型后会存在一定程度的回弹，成形后边缘会存在与理论外形无规律的偏差，造成加工过程中透明件的可靠固定具有一定的难度。

3定位和固定方法

加工工装的作用为托起和固定制件，辅助机床对透明件进行有效加工。加工工装根据透明件的成形工艺，可设计为凸模或凹模。加工工装主要是解决制件准确定位和可靠固定的问题。

3.1定位方式

透明件和加工工装的定位准确性，对透明件的加工质量直接的影响，如定位不准确会造成边缘台阶厚度不均匀，轮廓边界偏离理论曲面等问题。现在常用的定位方式包含销定位和基准线定位两种方式。本文对上述两种定位方式进行了研究。销定位具有定位准确，实施方便的优点。但是由于航空用有机玻璃相对金属为脆性材料，试验过程中采用手持电动工具手工打孔时，部分制件出现了孔壁及边缘产生裂纹、崩边等损伤（特别是定向有机玻璃，更容易产生上述问题），如裂纹扩展可能造成透明件的报废。基准线定位的方式，通过在成形和加工工装的相同位置预留基准线。该方法具有划线简单方便，不损伤制件的优点，但定位精度受操作人员和划线工具的影响。

3.2固定方式

复杂曲率透明件虽然在成形后边缘会存在与理论外形无规律的偏差（以下简称贴模度偏差），但在小范围内外形变化不大的特点。针对透明件的外形特点，本文设计了弓形夹夹持、边缘粘接和真空吸附三种固定方式进行研究。3.2.1弓形夹夹持在工装周边设计夹持位置，弓形夹均匀分布在透明件的四周，夹持示意图如图1所示。经验证，弓形夹夹紧后可以基本消除透明件和工装的贴模偏差，在加工过程中该夹持方式可有效固定透明件。但是弓形夹会占据部分边缘位置，造成周边轮廓不能一次加工完成。3.2.2边缘粘接在工装周边预留粘接区域，通过边缘粘接的方式固定透明件，如图2所示。采用边缘粘接的方式固定制件，可快速实现透明件的固定，并且透明件的贴模公差对粘接固定无影响，但边缘粘接的方式不能消除透明件和加工工装的贴模偏差。本方案中对粘接胶的要求较高，要求粘接胶能够同时粘接金属工装和有机玻璃透明件，并且加工完成后可以很方便的清理粘接胶。由于该方法不能消除透明件和加工工装制件的贴模间隙，如存在图2所示的上表面加工区域，贴模度的公差将直接影响加工精度。因此该方法只适用于加工贴模度较好的透明件，或者曲率变化平缓的透明件边缘轮廓，因此使用该方法具有较大的局限性。3.2.3真空吸附固定真空吸附的固定方式，现已大量使用平面玻璃的加工过程。该方式具有固定快速，对加工区域不产生影响，加工完成后清理快速的优点，并且真空吸附力更加有利于透明件和工装的贴合。但该方式对形面的贴合度要求较高，如贴合间隙过大，常常会出现难以固定或吸附不稳定的情况。密封圈的选择是解决贴模偏差的有效补充。本文选用了不同结构的密封圈，研究了密封圈结构，对透明件贴模偏差的补偿性能。普通密封圈一般都为“O”型圈，放置到密封槽后凸出的高度基本相同。本文首先采用普通的“O”型圈，对复杂曲率透明件进行吸附稳定性试验。经验证，制件很难吸附固定在加工工装上。造成该问题的原因可能为复杂曲率透明件本身刚性不足，吸附过程中只有部分区域与密封圈贴合。针对普通“O”型圈的问题，经调研本文选用了充气式的密封圈，此密封圈吸附过程中具有较大的弥补贴模偏差的能力，并且在自然状态下可收缩在凹陷的槽内，有利于检查透明件各个区域与工装的贴模偏差。充气式密封圈的典型结构和参数表1所示。本文采用厚度在4mm~10mm范围内的有机玻璃透明件进行吸附试验。在工装周边放入上述4种充气式密封圈进行试验，经验证上述密封圈结构均可实现透明件的吸附固定。但是，1号和2号密封圈吸附较薄厚度的透明件过程中，需要在透明件吸附区域施加较大的压力，才能够吸附固定。对比四种密封圈的结构，1和2号密封圈的宽度较宽，且接触面区域较大，其截面构型更适合于外形偏差较大、具有较高刚度的制件。3号和4号密封圈，密封接触面的面积较小，更有利于接触制件形成密封区域，对刚度较低的透明件更有优势。因此选择合适的密封圈后，采用真空吸附的方式可以有效固定透明件，并且真空吸附的压力可以有效减小透明件的贴模度偏差。

4固定稳定性分析

刀具在切削制件过程中会产生一定的切削力。如制件不能有效克服切削力，会造成加工过程中制件移动，从而影响加工质量。吸附区域越大，更有利于加工稳定。但定位区域增大后，其贴模度变化相对更大，不利于制件的吸附固定。并且吸附屈原变大也可能引起制件变形的风险。透明件吸附定位后真空度一般可达到10000Pa一下。真空区域产生的压力大于0.9个大气压产生的摩擦力。研究表明铝合金材料采用较好的切削参数，高速切削其切削力约200-400N[3]。参考切削力经验公式；（1）式中B—铣削宽度，CP—工件材料对切削力影响系数，K—刀具前角对切削力的影响系数，K1—切削速度对切削力的影响系数，fz—每齿进给量，z—刀具齿数。参考金属的切削的影响系数（取值80），经计算其切削力小于100N。根据压力和摩擦力的换算。摩擦力大于切削力即可满足固定制件的要求。F=nP×S1×μ≥100N。（2）其中S1=C×（d1×2）；S2=C×d2；n=S2/S1；F为摩擦力；μ=0.2为摩擦系数；P为压力差；S1为密封圈贴合面积；S2真空吸附区面积；d1为密封圈贴合宽度，d2为真空吸附区宽度。C为密封圈周长。根据公式2计算，推荐真空吸附区域在密封圈接触面积的3~6倍，一般可满足透明件吸附固定的可靠性要求。根据上述结论，设计透明件加工工装进行验证，采用表1中的3号密封圈可有效吸附固定透明件。加工过程中制件状态稳定，加工的要素能够满足技术指标要求。

5结论

（1）透明件和工装的定位，采用基准线定位的方式，更有利于透明件的制造。（2）经过多种固定方式的对比，真空吸附的固定方式，工艺性较高，效率更高。（3）对比多种密封圈结构，选择出了适宜固定透明件的密封圈结构。（4）提出了推荐的真空吸附区域参数。（5）对提升复杂曲面透明件的制造效率，具有一定的指导意义。

参考文献

[1]多曲率复杂型面航空透明件成型技术万建平等设计与工艺洪都科技2010。

[2]机床数控技术的发展现状与趋势伍健倡等中国新技术新产品工业技术2018NO.8（下）。

[3]铝锂合金高速铣削力的试验研究徐海进等航空制造技术2014年13期。

作者：靳永强 徐飞飞 刘其广 单位：北京航空材料研究院